CN1351440A - 高斯最小移频键控调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明给出一种高斯最小移频键控调制方法及装置,该方法首先建立待调制的二进制数字码元与数字调制信号直接对应的查找表,然后根据余弦和正弦三角函数规律和表格内容的对称性,使查找表实现八倍压缩,再通过一次查询查找表和解压缩操作实现对基带信号进行数字调制;装置包括差分编码单元、地址变换、查找表、地址最高位作用和初始相位作用单元,本发明输出波形精确、实现简便、节省存贮空间。

Description

高斯最小移频键控调制方法及装置
本发明涉及数字移动通信系统，更体地是指一种高斯最小移频键控调制方法及装置。
由于大规模集成电路(VLSI)的飞速发展带来的数字化是当今愈演愈烈的信息技术的一个主要特征，它反映在无线电通信设备上是数字器件越来越接近天线，这种趋势所带来的好处是生产容易、成本低廉、功能更多、性能更好。
数字调制技术是数字蜂窝移动通信系统空中接口的重要组成部分。目前数字移动通信中的调制方式，大致可分为两类。一类为恒包络连续相位调制，较为成熟的为时间量化频率调制(TFM)和高斯最小移频键控(GMSK，下同)调制。另一类为线性调制方式，如四相移相键控(QPSK)、八相移相键控(8PSK)调制。目前GSM标准中规定采用高斯最小移频键控调制，即GMSK调制。在数字通信系统无线电发射机中，数字调制器必不可少，因此设计占用资源少、实现灵活简便、性能优良的数字调制器非常重要。
二进制数字信号通过高斯预调制滤波器和FM调制器就可以得到GMSK调制信号。它能够满足GSM协议对带外辐射的严格要求。目前有许多实现数字调制的方法，主要有成形滤波法和数字波形存储正交调制法。后者避免了复杂的滤波器设计和实现，可以产生具有任何特性的基带脉冲波形和已调信号，已得到广泛应用。但是实现的灵活简便与存储空间的占用总是存在着矛盾，通过存储波形数据和查找表方法实现数字调制，意味着在实现简便的同时占用较大的存储空间。所以在具体实现时，必须兼顾考虑。
目前的GMSK调制方式一般采用成形滤波法或者分多次查找表操作，以取得实现简便与存储空间占用的折衷，查找表方法是将数字调制信号的所有状态值存储于查找表中，意味着占用很大的存储空间和资源，所以通常不采用完全查找表的方法，而通常采用由输入数据先通过差分编码、高斯滤波和积分运算求得信号相位，作为地址，再查余弦表和正弦表，见图1所示。这种方法不仅需要多步操作，实现较复杂，存在多级引入误差的环节，使信号质量有所下降，且占用资源较多。
设计节省存贮空间、实现简便、信号质量高的全数字调制器，将使相应专用集成电路(ASIC)实现达到更高的集成度，同时减少所消耗的电流，调制信号精确，便于后续进一步的数字信号处理，因而具有重要的意义。
本发明的目的是提供一种既实现简便又节省存储空间、且信号质量高的高斯最小移频键控调制方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
该高斯最小移频键控调制方法通过首先建立待调制的二进制数字码元与数字调制信号直接对应的查找表，然后根据余弦和正弦三角函数规律和查找表内容的对称性，使查找表实现八倍压缩，再通过一次查询查找表和解压缩操作以实现对基带信号进行数字调制。
该方法进一步依次包括差分编码、地址变换、查询查找表、地址最高位作用和初始相位作用的步骤。
所述的地址变换是根据表格对称性，对低m-1位宽地址作变换，作为查找表地址，并提取地址最高位，其中m为高斯滤波器脉冲截取宽度，取值为5或3。
所述的查询查找表是通过运算求m个码元所有组合对应的同相、正交信号值，用m-1位宽的全部地址分别查找内插因子为p的同相表和正交表，从而获得同相表和正交表的各p个输出。
所说的地址最高位作用是指，当地址最高位为0时，查找表输出的同相、正交信号值不发生变化；当最高位为1时，同相表输出不变，正交表输出值符号位取反。
所述的初始相位作用是根据三角函数规律由初始相位控制对同相、正交信号进行交换和符号变化。
本发明的高斯最小移频键控调制装置包括差分编码单元、地址变换单元、查找表单元、地址最高位作用单元和初始相位作用单元，其中，
差分编码单元接收输入码元的二进制信号进行差分编码，并输出给地址变换单元；
地址变换单元对最新的m位码元根据表格压缩规律进行地址变换，并将最高位地址分离；
查找表单元的同相表和正交表接收地址变换单元输出的m-1位地址线；
地址最高位作用单元、初始相位作用单元对查找表内容进行解压缩。
与传统的GSMK调制方法相比，本发明具有如下优点：
1、只通过一次查找表操作，避免了传统GMSK调制复杂的滤波、积分步骤，实现简便；
2、对查找表输出解压缩恢复数据的操作只是I、Q(同相、正交，下同)交换和正负符号变换，操作简便，电路简单；
3、查找表经过八倍压缩，大大节省了数据存贮空间；
4、由于一次查找表，避免多步操作引入误差的环节，输出信号质量得以提高。
下面结合附图和实施例，对本发明作一详细地说明：
图1为传统的GSMK调制方法原理框图。
图2为本发明的GSMK调制方法原理框图。
图3为本发明的GSMK调制方法与数字上变频功能框图。
图4为本发明的GSMK调制信号功率频谱图。
本发明的最小移频键控调制方法的基本思想是建立待调制的二进制数字码元与数字调制信号直接对应的查找表，并根据余弦和正弦三角函数规律和表格内容的对称性，使查找表实现八倍压缩，再通过一次查找表和解压缩操作实现对基带信号进行数字调制。
上述的对查找表实现八倍压缩主要是根据正弦和余弦三角函数规律
Figure A0012585700061
cos(+π)＝-sin，sin(+π)＝-cos，查找表的所有内容都可以通过初始相位为0的I和Q信号表的值来表示，即可将表格压缩4倍，只需存储初始相位为0时查找表的内容。查找表得到的结果再根据初始相位作简单的正、负符号操作和I、Q信号交换操作即可。另外，初始相位为0的查找表内容存在对称关系，比如输入码元01111与10000对应的I信号相同，Q信号只是符号相反。可见查找表可以再压缩一倍，即对地址作变换，以低m-1位作为查找表地址，最高位地址最高位作用于查找表结果的符号变换。这样查找表共压缩了八倍，查找表总容量为2m-1*p*2*nBit。对查找表进行了八倍压缩无疑是节省了存贮空间，
请参阅图2所示，本发明的方法进一步依次包括差分编码、地址变换、查询查找表、地址最高位(MSB)作用和初始相位作用的步骤。
所述的地址变换是根据表格对称性，对低m-1位地址作变换，作为查找表地址，并提取地址最高位，其中m为高斯滤波器脉冲截取宽度，通常取5或3。
所述的查找表是通过运算求得m个码元所有组合对应的I、Q信号值，根据三角函数公式
Figure A0012585700071
cos(+π)＝-sin，sin(+π)＝-cos， 以及查找表格内容的对称性，进行八倍压缩表格，只存储初始相位为0时查找表的内容的一半，用m-1地址分别查找内插因子为p的I表和Q表，从而获得I表和Q表的各p个输出。
所说的地址最高位(MSB，下同)作用是指，当地址最高位为为0时，查找表输出的I、Q信号值不发生变化；当最高位为1时，I表输出不变，Q表输出值符号位取反。
所述的初始相位作用是根据三角函数规律由初始相位控制对I、Q信号进行交换和符号变化。
请继续阅图2，依本发明的方法，高斯最小移频键控调制装置包括差分编码单元201、地址变换单元202、查找表单元203和204、地址最高位作用单元205、初始相位作用单元206，其中，
差分编码单元201接收输入码元的二进制信号进行差分编码，并输出给地址变换单元202；
地址变换单元202对最新的m位码元根据表格压缩规律进行地址变换，并将最高位地址分离；
查找表单元的I表203和Q表204接收地址变换单元202输出的m-1位地址线；
地址最高位作用单元205、初始相位作用单元206对查找表内容进行解压缩，0为输入至初始相位作用单元206的初始相位。
该装置的工作过程可作如下描述：输入二进制码元首先进入差分编码单元进行差分编码，然后对最新的m位码元根据查找表格压缩规律进行地址变换，并将最高位地址分离，地址变换单元202输出的m-1位地址线输入至I表203、Q表204，从而获得I表和Q表的各p个输出，I表203和Q表204输出的值输入地址最高位(MSB)作用单元205，当地址最高位为零时，不发生变化，当地址最高位为1时，I表203的输出不变，Q表204输出值符号取反，然后初始相位作用单元再根据前面所述的三角函数公式对I、Q信号进行简单的交换和符号变化，最终输出基带GMSK调制后的I、Q信号。
图3是本发明的一个应用实例系统，图中，301是本发明最小移频键控调制装置，302是具有内插和低通滤波功能的级联积分梳状滤波器(CIC)；303是数控振荡器(NCO)，它产生复数(两路正交)的数字中频振荡信号；304是实现数字乘法功能的乘法器(QAM)，305是实现数据缓冲输出的输出器(OUT)。图3中的系统完成GMSK调制和数字上变频功能，二进制数字信号经过该系统后成为GMSK调制数字中频信号。
经过仿真研究验证，采用本发明方法和装置，所得到的GMSK调制数字信号满足GSM协议指标要求，其频谱特性如图4所示，粗折线表示GSM协议指标，细曲线为GMSK调制数字信号频谱特性，纵坐标为功率谱密度，单位为分贝(dB)，横坐标为基带调制信号的与码元频率270.833kHz的相对频率偏移。
本发明在其他实施方法中，如8PSK、TFM等数字调制方式中，也可以相应根据余弦和正弦三角函数规律和表格内容对称性，进行八倍压缩，通过查找表和相应的符号变换和I、Q交换操作实现数字调制，仍就属于本发明的范畴。

Claims (7)

1、一种高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：该方法首先建立待调制的二进制数字码元与数字调制信号直接对应的查找表，然后根据余弦和正弦三角函数规律和查找表内容的对称性，使查找表实现八倍压缩，再通过一次查询查找表和解压缩操作以实现对基带信号进行数字调制。
2、如权利要求1所述的高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：该方法进一步依次包括差分编码、地址变换、查询查找表、地址最高位作用和初始相位作用的步骤。
3、如权利要求2所述的高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：所述的地址变换是根据表格对称性，对低m-1位宽地址作变换，作为查找表地址，并提取地址最高位，其中m为高斯滤波器脉冲截取宽度，取值为5或3。
4、如权利要求2所述的高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：所述的查询查找表是通过运算求m个码元所有组合对应的同相、正交信号值，用m-1位宽的全部地址分别查找内插因子为p的同相表和正交表，从而获得同相表和正交表的各p个输出。
5、如权利要求2所述的高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：所说的地址最高位作用是指，当地址最高位为0时，查找表输出的同相、正交信号值不发生变化；当最高位为1时，同相表输出不变，正交表输出值符号位取反。
6、如权利要求2所述的高斯最小移频键控调制方法，其特征在于：所述的初始相位作用是根据三角函数规律由初始相位控制对同相、正交信号进行交换和符号变化。
7、一种高斯最小移频键控调制装置，其特征在于：该装置包括差分编码单元、地址变换单元、查找表单元、地址最高位作用单元和初始相位作用单元，其中，
差分编码单元接收输入码元的二进制信号进行差分编码，并输出给地址变换单元；
地址变换单元对最新的m位码元根据表格压缩规律进行地址变换，并将最高位地址分离；
查找表单元的同相表和正交表接收地址变换单元输出的m-1位地址线；
地址最高位作用单元、初始相位作用单元对查找表内容分别进行解压缩。
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